軟土環(huán)境考慮樁土作用的高速鐵路車橋耦合參數(shù)影響分析

(廣州大學 廣東 廣州 510000)

目前我國已修建的快速客運專線最高運營速度已接近350km/h，其中車橋耦合振動是高速鐵路運營的關(guān)鍵技術(shù)問題，線路不平順等會對高速列車的行車穩(wěn)定和乘客舒適度產(chǎn)生顯著影響。張媛[1]為研究車速、車輛編組及軌道不平順等因素對汽車-橋梁-列車耦合系統(tǒng)的影響，通過約束方程將3個子系統(tǒng)進行耦合，研究了軌道不平順等對該系統(tǒng)的影響。郝向煒[2]以某大型鋼管混凝土拱橋為對象，采用經(jīng)動力試驗驗證的自編車橋耦合振動分析程序，進行了多組隨機不平度樣本下的車橋動力響應(yīng)分析。朱勁松[3]為研究大跨度公路懸索橋各 構(gòu)件沖擊作用的影響因素及其敏感性，分析了車速、橋面不平順度、車重及橫向加載位置對橋梁各構(gòu)件沖擊系數(shù)的影響。

上述關(guān)于車橋耦合的影響因素研究中，大多僅對單一因素影響的進行定性分析，多影響因素分析也未考慮樁土作用。實際上，樁土作用對于高速列車車橋耦合振動行為具有顯著的影響，需要考慮具體的地質(zhì)環(huán)境建立“車-橋-樁土”相互作用模型，才能準確分析各種運營環(huán)境在的車橋耦合振動效應(yīng)。本文基于廣東某地區(qū)軟土地質(zhì)參數(shù)，分別建立“車-橋-墩”和“車-橋-墩-樁土”耦合振動模型，以分析樁土相互作用對車橋耦合振動行為的影響。

一、基本模型

(一)橋梁結(jié)構(gòu)

本文在建立橋梁有限元模型時采用空間梁單元作為橋梁模型基礎(chǔ)單元，橋墩及梁體采用等截面空間梁單元模擬，梁體質(zhì)量計為一致質(zhì)量，并計入扭轉(zhuǎn)慣性矩。橋梁以32米標準跨度、單室箱型截面簡支梁橋為例建立橋梁模型，其梁、墩均采用C30強度等級混凝土；支座采用板式橡膠支座模擬。基礎(chǔ)為3×4群樁基礎(chǔ)，采用C30混凝土灌注樁，樁長14m，樁徑為1000mm。

(二)分析方法

為了更為簡便求解系統(tǒng)動力方程，可以將整個車-橋-墩-樁土系統(tǒng)的運動方程分解成車輛系統(tǒng)振動方程和橋梁系統(tǒng)振動方程兩個獨立方程[3]，同時假定輪軌始終保持接觸，且接觸點處滿足幾何相容條件和輪軌力的靜力平衡條件，表達式如下：

V=B+s

(1)

fVB=fBV=fn

(2)

式中：s—由軌道不平順引起的位移向量；fVB—橋梁作用于車輛上的力；FBV—車輛作用于橋梁上的力；fn—輪軌法向接觸力；

將車輛系統(tǒng)振動方程和橋梁系統(tǒng)振動方程兩個獨立方程與式(1)(2)結(jié)合起來，就是整個車-橋系統(tǒng)的耦合振動。

二、列車模型的參數(shù)影響

(一)列車輪重的影響

不同的列車類型，列車的軸重和軸距是不一樣的，現(xiàn)選取日本500系動力分散式車組(第一類)、國產(chǎn)300km/h動力分散式車組(第二類)、德國ICE3動力分散式車組(第三類)三類不同軸重的列車作為研究對象，假定它們有相同的軸距。本章節(jié)只研究列車軸重對橋梁動力響應(yīng)影響的規(guī)律，因此只采用一列車廂過橋，基本能夠滿足本文需求。

當三種列車以200km/h過橋時，橋梁跨中動力響應(yīng)與軸重的關(guān)系如圖1所示。橋梁跨中動力響應(yīng)隨軸重單調(diào)遞增，符合實際情況。列車軸重增大并不影響橋梁跨中振動響應(yīng)的基本規(guī)律。

(二)列車車速的影響

當列車以速度V通過一跨或者多跨簡支梁時，列車荷載近似為一個頻率為(為車輛全長)的周期性荷載作用在橋梁結(jié)構(gòu)上。當激振頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率成倍數(shù)關(guān)系i時，共振現(xiàn)象就會發(fā)生。圖2為不同車速下橋梁的跨中豎向位移對比、跨中豎向加速度對比圖。在車-橋-墩系統(tǒng)和車-橋-墩-樁土系統(tǒng)兩種模型下，橋梁結(jié)構(gòu)跨中位移響應(yīng)與行車速度之間并非呈簡單的單調(diào)遞增或者遞減，車-橋-墩-樁土系統(tǒng)的橋梁跨中豎向加速度始終小于車-橋-墩系統(tǒng)的橋梁跨中豎向加速度，尤其在達到共振車速時，橋梁跨中豎向加速度峰值相差甚大。

(a)跨中豎向位移與軸重的關(guān)系

(b)跨中豎向加速度與軸重的關(guān)系

(a)跨中豎向位移對比

(b)跨中豎向加速度對比

三、結(jié)論

本文基于海南環(huán)島的具體軟土地質(zhì)參數(shù)，分析不同外界因素對車橋耦合系統(tǒng)所造成的影響，從列車輪重、車速等幾個方面來考察不同參數(shù)所產(chǎn)生的影響，結(jié)果如下：

(1)橋梁跨中動力響應(yīng)隨列車軸重單調(diào)遞增，符合實際情況。且列車軸重增大并不影響橋梁跨中振動響應(yīng)的基本規(guī)律，跨中豎向位移和跨中豎向加速度與軸重均呈線性遞增的關(guān)系。

(2)在兩種結(jié)構(gòu)體系模型下，隨著行車速度的增加，不同體系的橋梁跨中豎向加速度呈相似的變化規(guī)律。車-橋-墩-樁土系統(tǒng)的橋梁跨中豎向加速度始終小于車-橋-墩系統(tǒng)的橋梁跨中豎向加速度。這是因為在考慮樁土作用后，系統(tǒng)豎向剛度減弱，在相同的外荷載激勵下，橋梁豎向振動激烈程度減緩所致。因此對于不同的橋梁體系，應(yīng)該規(guī)定不同的行車速度上限，以保證列車和橋梁在運營時的安全。